Esfoliação assistida por cera e encapsulamento de AlOx de dupla superfície: melhoria significativa das fases topológicas em MnBi2Te4
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Os materiais bidimensionais são compostos por camadas atómicas acopladas por forças de van der Waals. Esta fraca ligação entre camadas permite o isolamento de cristais a granel em flocos de uma ou poucas camadas através de métodos de esfoliação, dando origem a fenómenos físicos exóticos. O método mais utilizado é a esfoliação mecânica com fita adesiva sobre substratos de SiO₂/Si, em que a forte adesão do substrato facilita a clivagem das camadas superficiais.
MnBi 2 Te 4 é o primeiro isolante topológico antiferromagnético intrínseco, que tem atraído intensa atenção nos últimos anos. Este isolante apresenta ordem magnética em camadas e topologia de banda não trivial, o que o torna uma plataforma única para o estudo de estados quânticos topológicos. Experimentos já demonstraram o efeito Hall anômalo quântico (QAH) em dispositivos MnBi 2 Te 4 de camada ímpar ( Science 367, 895 (2020)) e o estado de isolador axion em dispositivos de camada par ( Nat. Mater. 19, 522 (2020)). No entanto, os desafios de fabricar dispositivos MnBi 2 Te 4 de alta qualidade e alcançar estados quânticos reproduzíveis neles restringiram a realização experimental desses fenômenos quânticos, sublinhando assim a necessidade de técnicas inovadoras de fabricação de dispositivos.
A esfoliação convencional com fita adesiva é muitas vezes ineficaz para materiais difíceis de esfoliar, uma vez que os flocos resultantes se partem em pequenos pedaços. Para resolver estes problemas, os investigadores introduziram anteriormente a esfoliação assistida por ouro ( Nat. Commun. 11, 2453 (2020)) ou métodos de esfoliação assistidos por AlO x ( Nature 563, 94 (2018)), onde uma camada de metal ou óxido depositada atua como uma camada de suporte. Os pesquisadores continuaram a se perguntar se uma camada auxiliar mais conveniente poderia ser encontrada - uma que pudesse suportar a amostra e, ao mesmo tempo, proteger suas delicadas propriedades quânticas.
Os cristais de MnBi2Te4 aderem à cera amolecida a temperaturas elevadas; após o arrefecimento, a cera solidifica-se num invólucro protetor rígido e transparente. A esfoliação repetida na superfície da cera produz flocos lisos de grande área, adequados para transferência e fabrico de dispositivos.
©Science China Press
Descoberta da investigação
Neste estudo, a equipa da Tsinghua-RUC desenvolveu um método de esfoliação assistida por cera (patente n.º CN202311150854.3) para fabricar dispositivos MnBi 2 Te 4 de alta qualidade com encapsulamento AlO x de dupla superfície.
O Crystalbond 509, um adesivo termoplástico comummente utilizado, torna-se macio e viscoso após o aquecimento, enquanto o arrefecimento o transforma num sólido rígido e transparente. Tirando partido desta propriedade, o grupo de investigação fixou cristais de MnBi 2 Te 4 em cera aquecida e amolecida; após o arrefecimento, a cera formou uma "casca protetora" dura e transparente. A esfoliação no substrato de cera não só preservou a integridade do cristal, como também permitiu a preparação de flocos atomicamente planos de grande área - bem adequados para a transferência subsequente e o fabrico de dispositivos.
Com base no seu trabalho anterior que demonstra os efeitos benéficos de uma única camada de cobertura de AlO x em MnBi 2 Te 4 ( Nat. Commun. 16, 1727 (2025); Nature 641, 70 (2025)), o grupo de investigação fabricou heteroestruturas AlO x -MnBi 2 Te 4 -AlO x , com ambas as superfícies dos flocos de MnBi 2 Te 4 cobertas por camadas de AlO x. O AlO x tem uma dupla função:
como barreira protetora contra a contaminação orgânica durante o fabrico e como interface que aumenta a anisotropia magnética perpendicular, reforçando assim a ordem magnética no MnBi 2 Te 4 .
Esta abordagem de encapsulamento duplo melhorou significativamente a robustez das fases topológicas do MnBi 2 Te 4 . Nos dispositivos de camada par, observou-se um estado de isolador axiónico bem desenvolvido, com um amplo patamar de zero-Hall e uma resistência longitudinal altamente isolante. Nos dispositivos de camadas ímpares, o efeito QAH apresentou laços de histerese quase rectangulares com coercividade melhorada (ou campo magnético de spin flip). Além disso, o efeito foi ainda mais amplificado por campos magnéticos no plano, corroborando observações anteriores de respostas magnéticas peculiares exclusivas do MnBi 2 Te 4 .
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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